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摘要：[目的]研究新型激光测风雷达在城市近地层测风中的适应性。[方法]2013年5～6月上海市气象信息与技术支持中心在上海市嘉定区和兴隆沙开展了2次新型测风雷达与梯度测风塔的观测对比试验，对2种探测手段测得的不同高度的水平风速、风向及其标准偏差、相关系数进行了对比分析。[结果]在嘉定区的对比试验中，虽然激光测风雷达与风能测风塔2种方式测得的风速值有一些差异，但2组数据有一定的相关性；风向的相关性明显好于风速，相关系数均在0.9以上。在兴隆沙的对比试验中，激光测风雷达与风能测风塔所获得的风速数据在各层高度上均具有良好的相关性，相关系数均在0.9以上；相比风速数据，风向数据在各层高度上的相关性较低。与嘉定区的对比试验相比，兴隆沙的对比试验在风速上的相关性表现较好，而在风向上则表现一般。[结论]2次对比试验的对比结果中水平风速、风向均有相关性达0.9以上的要素，能够在一定程度上验证新型激光测风雷达在低空风场数据获取方面具有较为良好的探测性能。
关键词：激光测风雷达；近地层；风速；风向；适应性；观测试验
中图分类号：S16 文献标识码：A 文章编号：0517-6611（2016）07-214-03
Abstract：[Objective] To research the adaptability of new wind lidar in urban wind detection at near surface layer. [Method] Two observation comparative trials between new wind lidar and gradient wind tower were carried out in Xinglongsha and Jiading District in Shanghai Meteorological Information and Technical Support Center from May to June， 2013. Then， we compared the horizontal wind speed， wind direction， standard deviation and correlation coefficient at each altitude by two different methods. [Result] In the comparative trial of Jiading District， there were certain differences in the wind speed detected by two methods of wind lidar and gradient wind tower， but there was certain correlation between the two groups of data. Correlation of wind direction was significantly superior to that of wind speed； their correlation coefficients were greater than 0.9. In the comparative trial of Xinglongsha， there was good correlation between wind data detected by wind lidar and gradient wind tower at different altitudes. Their correlation coefficients were greater than 0.9. Compared with the data of wind speed， weed direction had relatively low correlation at each altitude. Compared with the comparative trial of Jiading District， wind speed in comparative trial of Xinglongsha showed relatively good wind speed， but wind direction was general. [Conclusion] Results of two comparative tests showed that both horizontal wind speed and wind direction have elements with more than 0.9 correlation， which verifies in certain degree that wind lidar has relatively good detection performance in the aspect of low altitude wind field data.
Key words：Wind lidar； Near surface layer； Wind speed； Wind direction； Adaptability； Observation experiment
風的测量是气象探测的一个重要内容。目前国内气象观测业务自150 m以上风场数据的来源主要是依靠GFE（L）-1型二次探空雷达和风廓线雷达[1]，而150 m以下的低空风探测主要方法是测风塔。激光测风雷达是一种新型的测风设备，主要是应用在风能资源的评测中，目前还没有在气象风场数据的常规业务进行应用。为使激光测风雷达能够真正应用到常规气象探测业务中，需要将其与传统气象探测设备进行对比分析。此次试验使用的SpiDARTM 是以色列Pentalum公司生产的激光测风系统，是一种采用光探测和测距技术（LiDAR）的风力遥测传感产品，可以探测多种气象要素包括气压、湿度、大气密度、不同高度的风向风速、微量气体浓度等。目前，这套激光测风系统的主要应用领域是风力预测和风场评估。 国内外已经对激光测风雷达进行了大量研究[2-5]，如王乔乔等[2]使用Windcube雷达测风系统与测风塔进行了同步观测，并对风速、风向、标准偏差等进行了对比分析，结果发现雷达系统与测风塔的风速、风向的相关系数达0.99；Jaynes[4]进行激光测风雷达与测风塔的对比试验发现，2种探测手段的风速的相关系数在不同高度上均达0.9以上；冯力天等[5]在对连续波体制激光多普勒测风雷达的测风性能试验中发现，在100 m以下高度层测风雷达和测风塔风速和风向的标准偏差较小，在100 m以上高度层风速、风向相关系数达0.99，表明测风雷达准确性高且具有高度一致性。为了能够了解更多SpiDARTM激光测风雷达的测风性能，2013年5月9～14日和6月12日上海市气象信息与技术支持中心分别在嘉定区气象局和崇明兴隆沙开展了新型激光测风雷达与测风塔的观测对比试验，对2种探测手段测得的不同高度的水平风速、风向及其标准偏差、相关系数进行了对比分析。
1：设备安置与试验方法
2013年5月9日上午，来自以色列Pentalum公司的2位工程师对激光测风雷达进行了安装调试，雷达首先被安置在嘉定区广播电视台大院发射塔脚下的空地上，与激光测风雷达进行对比试验的就是这座广播电视信号发射塔。信号发射塔高150 m，发射塔上安装有测风设备，安装高度分别为30、50、70和100 m。电视台院内环境狭小，周围也有高层建筑遮挡，探测环境比较恶劣。为了不影响探测质量，当天下午雷达被转移至嘉定区气象局，安置在气象局观测场草坪上。广播电视信号发射塔位于气象局的北偏西方向，直线距离约1.7 km。6月12日在位于崇明岛中东部兴隆沙风能塔完成了第2次观测对比试验。兴隆沙风能测风塔高为70 m，激光测风雷达被放置在风能塔西南方向约50 m处。
位于嘉定区气象局的试验从5月9日16：30持续到14日07：40，由于设备供电问题，造成5月11日03：40～08：40的数据缺失。激光测风雷达能够获取的高度层分别是30、50、70、100、150和200 m，由于测风塔的最大高度是150 m，因此仅对其中150 m以下4个层的数据进行对比，对比的数据是水平方向的10 min平均风速和风向。
兴隆沙风能塔位于崇明岛中东部，塔高为70 m，激光测风雷达被放置在风能塔下方不远处。此次的对比试验于6月12日03：20开始，12：00共获取可用数据38条，由于设备故障造成6月12日06：20～08：10数据不连续。由于风能塔高度为70 m，因此，此次对比试验仅对30、50和70 m 3个高度层的数据进行对比，对比的数据为水平方向10 min的平均风速和风向。
2：风速和风向对比分析
2.1：风速对比：在嘉定的对比试验中，以100 m风速数据为例，从图1可以看出，100 m风速数据的曲线重合性较好，2组曲线的走向趋势总体相似。通过对激光测风雷达和测风塔探测的100 m水平风速进行拟合（表1）发现，2组风速在100 m的决定系数R2值为0.539，表示2组数据的相关性一般，分析其原因可能是由于2个测试点不在同一地点，相距约1.7 km直线距离，同时，在测风塔周围存在高层建筑物，不能排除高层建筑物对风的遮挡作用，因此风速数值上存在差异也是合理的。测风塔（y）和激光测风雷达（x）不同高度层上的水平风速线性拟合结果（表1）表明，高度越高，风速的相关系数越大，2种探测手段所获得数据的相关性越好。由于在相对较高的位置，风场受到建筑物的影响变小，从而使得2种探测手段所探测的数据趋于一致。
在靠近海边的兴隆沙对比试验中，从50 m风速（图2）可以看出，风能测风塔获得的风速均在激光测风雷达风速的下方，说明测风塔获得风速数据普遍偏小，曲线重合比较好，曲线的走势趋于一致。通过对不同高度层2组风速数据的拟合（表2）发现，50 m高度风速数据的决定系数R2为0.93，说明此高度2组数据的相关性越好。从表2可以发现，不同高度层上风速的相关系数均达0.9以上。
在风速的对比分析中，由于嘉定区探测环境较为恶劣，市区高楼林立的环境对探测数据的准确性造成了一定程度的影响，而在兴隆沙探测试验是在海边进行的，周围环境对探测设备的影响较小。从探测结果的对比分析（表1～2）也可以看到，兴隆沙不同高度层的风速相关系数明显好于嘉定的试验结果，其相关系数在0.9以上，这个结果与其他文献[2-3]的结果一致。
2.2：风向对比：
风向数据的对比方法与风速对比的方法相同，但风向存在一个360°周期的现象。为了能够得到正确的相关性对比，这里对接近360°的临界值进行了减360的操作，具体判断如下：
If（R>350 && T<10） //如果R>350°且T<10°
return R-360； //那么返回R減360°
else
return R； //否则返回R
在表达式里R代表激光测风雷达测量值，T代表测风塔测量值。表达式的含义是：如果R值>350°且T值<10°，那么返回R减360°之后的值，否则返回R。这样如果有这么一组数值，激光测风雷达得到的是356°，测风塔测的数据是2°，那么实际上进行比较的-4°和2°，2个值相差6°，而不是354°。通过这种方法，对激光测风雷达4个高度层的风向数据进行处理。由于对比试验期间（5月9～14日），主导风向是西风，风向主要集中在150°～350°，实际上风向测量值几乎不会出现风向变化跨越0°的现象，但也有个别值存在这种现象。
在嘉定的对比试验中，以100 m风向数据为例，从图2a和图1a可以看出，风向曲线的重合性明显好于风速曲线的重合性，2种方法获取的风向数据一致性较好，数据相似度较高；2组数据拟合的决定系数R2在0.9以上，说明2组数据的吻合度较高，相关性较好（表3）。兴隆沙50 m高度层上的风向数据有较为明显的差异，测风塔所获得的风向数据相对于激光测风雷达的数据偏低（图2b）；50 m高度层的风向拟合的R2为0.767 4，表明相关性较为一般（表4）。由嘉定和兴隆沙的风向对比分析结果（表3～4）可见，嘉定的风向相关系数均在0.9以上，相关性较好，而在兴隆沙试验中，激光测风雷达与测风塔的风向相关系数在0.7以上，标准偏差明显好于嘉定对比试验，从一定程度上反映出激光测风雷达在风向的探测中具有较好的准确性。 3：结论与讨论
该研究参与对比试验的测风雷达是以色列Pentalum公司的新型激光测风雷达SpiDARTM，对比对象分别是位于嘉定区的测风塔和位于崇明兴隆沙的风能塔，一个处于城市内部，一个处于城市外围，2次对比试验所处的环境有较大的差别。
在嘉定区的對比试验中，虽然激光测风雷达与风能测风塔2种方式测得的风速值有一些差异，但2组数据在变化和走势上是一致的，说明2组数据有一定的相关性；风向的相关性则明显好于风速，相关系数均在0.9以上。两者风速存在较大差异的原因初步认为是测风塔上风速计长时间未进行校准，以及仪器长时间运行老化所造成的。同时，试验环境周围存在一些高层建筑物，也不能完全排除建筑物对风的遮挡作用，因此存在差异也是一个合理的结果。激光测风雷达30 m风速与10 m风杆的数据对比，也从一定程度上反映激光测风雷达所测的数据与传统手段获得的数据具有良好的相关性。
在兴隆沙的对比试验中，激光测风雷达与风能测风塔所获得的风速数据在各层高度上均具有良好的相关性，相关系数均在0.9以上。相比风速数据，风向数据在各层高度上的相关性较低，普遍在0.8左右，50 m以上风向的相关系数较好。与嘉定区的对比试验相比，兴隆沙的对比试验在风速上的相关性表现较好，而在风向上则表现一般。
2次不同环境下的对比试验，虽然硬件和所处环境不同，但在2次对比试验中对比结果的相关性均有达0.9以上的要素，说明SpiDAR激光测风雷达在低空风场数据获取方面具有一定的可信度。相比传统的手段，激光测风雷达具有安装简易、低能耗、高度自动化、仪器配置更加个性化等优点，同时能够实时获得多种气象探测数据，可见激光测风雷达在气象探测领域具有广阔的使用空间。
参考文献
[1] 吴志根，徐同，丁若样，等.上海组网边界层风廓线雷达与宝山二次雷达测风数据比较分析[J].气象，2013，39（3）：370-376.
[2] 王乔乔，张秀芝，王尚.Windcube激光雷达与测风塔测风结果对比[J].气象科技，2013，41（1）：20-26.
[3] 夏俊荣，王普才，闵敏.新型多普勒测风激光雷达Windcube的风参数观测与验证[J].气候与环境研究，2011，16（6）：733-741.
[4] JAYNES D W. MTC final progress report： LIDAR[R]. Renewable Energy Research Laboratory， Department of Mechanical and Industrial Engineering， University of Massachusetts， 2007.
[5] 冯力天，李伟，韩百刚，等.连续波体制激光多普勒测风雷达测风性能研究[C]//第31届中国气象学会年会S1气象雷达探测技术研究与应用.中国气象学会，2014.
关键词：激光测风雷达；近地层；风速；风向；适应性；观测试验
中图分类号：S16 文献标识码：A 文章编号：0517-6611（2016）07-214-03
Abstract：[Objective] To research the adaptability of new wind lidar in urban wind detection at near surface layer. [Method] Two observation comparative trials between new wind lidar and gradient wind tower were carried out in Xinglongsha and Jiading District in Shanghai Meteorological Information and Technical Support Center from May to June， 2013. Then， we compared the horizontal wind speed， wind direction， standard deviation and correlation coefficient at each altitude by two different methods. [Result] In the comparative trial of Jiading District， there were certain differences in the wind speed detected by two methods of wind lidar and gradient wind tower， but there was certain correlation between the two groups of data. Correlation of wind direction was significantly superior to that of wind speed； their correlation coefficients were greater than 0.9. In the comparative trial of Xinglongsha， there was good correlation between wind data detected by wind lidar and gradient wind tower at different altitudes. Their correlation coefficients were greater than 0.9. Compared with the data of wind speed， weed direction had relatively low correlation at each altitude. Compared with the comparative trial of Jiading District， wind speed in comparative trial of Xinglongsha showed relatively good wind speed， but wind direction was general. [Conclusion] Results of two comparative tests showed that both horizontal wind speed and wind direction have elements with more than 0.9 correlation， which verifies in certain degree that wind lidar has relatively good detection performance in the aspect of low altitude wind field data.
Key words：Wind lidar； Near surface layer； Wind speed； Wind direction； Adaptability； Observation experiment
風的测量是气象探测的一个重要内容。目前国内气象观测业务自150 m以上风场数据的来源主要是依靠GFE（L）-1型二次探空雷达和风廓线雷达[1]，而150 m以下的低空风探测主要方法是测风塔。激光测风雷达是一种新型的测风设备，主要是应用在风能资源的评测中，目前还没有在气象风场数据的常规业务进行应用。为使激光测风雷达能够真正应用到常规气象探测业务中，需要将其与传统气象探测设备进行对比分析。此次试验使用的SpiDARTM 是以色列Pentalum公司生产的激光测风系统，是一种采用光探测和测距技术（LiDAR）的风力遥测传感产品，可以探测多种气象要素包括气压、湿度、大气密度、不同高度的风向风速、微量气体浓度等。目前，这套激光测风系统的主要应用领域是风力预测和风场评估。 国内外已经对激光测风雷达进行了大量研究[2-5]，如王乔乔等[2]使用Windcube雷达测风系统与测风塔进行了同步观测，并对风速、风向、标准偏差等进行了对比分析，结果发现雷达系统与测风塔的风速、风向的相关系数达0.99；Jaynes[4]进行激光测风雷达与测风塔的对比试验发现，2种探测手段的风速的相关系数在不同高度上均达0.9以上；冯力天等[5]在对连续波体制激光多普勒测风雷达的测风性能试验中发现，在100 m以下高度层测风雷达和测风塔风速和风向的标准偏差较小，在100 m以上高度层风速、风向相关系数达0.99，表明测风雷达准确性高且具有高度一致性。为了能够了解更多SpiDARTM激光测风雷达的测风性能，2013年5月9～14日和6月12日上海市气象信息与技术支持中心分别在嘉定区气象局和崇明兴隆沙开展了新型激光测风雷达与测风塔的观测对比试验，对2种探测手段测得的不同高度的水平风速、风向及其标准偏差、相关系数进行了对比分析。
1：设备安置与试验方法
2013年5月9日上午，来自以色列Pentalum公司的2位工程师对激光测风雷达进行了安装调试，雷达首先被安置在嘉定区广播电视台大院发射塔脚下的空地上，与激光测风雷达进行对比试验的就是这座广播电视信号发射塔。信号发射塔高150 m，发射塔上安装有测风设备，安装高度分别为30、50、70和100 m。电视台院内环境狭小，周围也有高层建筑遮挡，探测环境比较恶劣。为了不影响探测质量，当天下午雷达被转移至嘉定区气象局，安置在气象局观测场草坪上。广播电视信号发射塔位于气象局的北偏西方向，直线距离约1.7 km。6月12日在位于崇明岛中东部兴隆沙风能塔完成了第2次观测对比试验。兴隆沙风能测风塔高为70 m，激光测风雷达被放置在风能塔西南方向约50 m处。
位于嘉定区气象局的试验从5月9日16：30持续到14日07：40，由于设备供电问题，造成5月11日03：40～08：40的数据缺失。激光测风雷达能够获取的高度层分别是30、50、70、100、150和200 m，由于测风塔的最大高度是150 m，因此仅对其中150 m以下4个层的数据进行对比，对比的数据是水平方向的10 min平均风速和风向。
兴隆沙风能塔位于崇明岛中东部，塔高为70 m，激光测风雷达被放置在风能塔下方不远处。此次的对比试验于6月12日03：20开始，12：00共获取可用数据38条，由于设备故障造成6月12日06：20～08：10数据不连续。由于风能塔高度为70 m，因此，此次对比试验仅对30、50和70 m 3个高度层的数据进行对比，对比的数据为水平方向10 min的平均风速和风向。
2：风速和风向对比分析
2.1：风速对比：在嘉定的对比试验中，以100 m风速数据为例，从图1可以看出，100 m风速数据的曲线重合性较好，2组曲线的走向趋势总体相似。通过对激光测风雷达和测风塔探测的100 m水平风速进行拟合（表1）发现，2组风速在100 m的决定系数R2值为0.539，表示2组数据的相关性一般，分析其原因可能是由于2个测试点不在同一地点，相距约1.7 km直线距离，同时，在测风塔周围存在高层建筑物，不能排除高层建筑物对风的遮挡作用，因此风速数值上存在差异也是合理的。测风塔（y）和激光测风雷达（x）不同高度层上的水平风速线性拟合结果（表1）表明，高度越高，风速的相关系数越大，2种探测手段所获得数据的相关性越好。由于在相对较高的位置，风场受到建筑物的影响变小，从而使得2种探测手段所探测的数据趋于一致。
在靠近海边的兴隆沙对比试验中，从50 m风速（图2）可以看出，风能测风塔获得的风速均在激光测风雷达风速的下方，说明测风塔获得风速数据普遍偏小，曲线重合比较好，曲线的走势趋于一致。通过对不同高度层2组风速数据的拟合（表2）发现，50 m高度风速数据的决定系数R2为0.93，说明此高度2组数据的相关性越好。从表2可以发现，不同高度层上风速的相关系数均达0.9以上。
在风速的对比分析中，由于嘉定区探测环境较为恶劣，市区高楼林立的环境对探测数据的准确性造成了一定程度的影响，而在兴隆沙探测试验是在海边进行的，周围环境对探测设备的影响较小。从探测结果的对比分析（表1～2）也可以看到，兴隆沙不同高度层的风速相关系数明显好于嘉定的试验结果，其相关系数在0.9以上，这个结果与其他文献[2-3]的结果一致。
2.2：风向对比：
风向数据的对比方法与风速对比的方法相同，但风向存在一个360°周期的现象。为了能够得到正确的相关性对比，这里对接近360°的临界值进行了减360的操作，具体判断如下：
If（R>350 && T<10） //如果R>350°且T<10°
return R-360； //那么返回R減360°
else
return R； //否则返回R
在表达式里R代表激光测风雷达测量值，T代表测风塔测量值。表达式的含义是：如果R值>350°且T值<10°，那么返回R减360°之后的值，否则返回R。这样如果有这么一组数值，激光测风雷达得到的是356°，测风塔测的数据是2°，那么实际上进行比较的-4°和2°，2个值相差6°，而不是354°。通过这种方法，对激光测风雷达4个高度层的风向数据进行处理。由于对比试验期间（5月9～14日），主导风向是西风，风向主要集中在150°～350°，实际上风向测量值几乎不会出现风向变化跨越0°的现象，但也有个别值存在这种现象。
在嘉定的对比试验中，以100 m风向数据为例，从图2a和图1a可以看出，风向曲线的重合性明显好于风速曲线的重合性，2种方法获取的风向数据一致性较好，数据相似度较高；2组数据拟合的决定系数R2在0.9以上，说明2组数据的吻合度较高，相关性较好（表3）。兴隆沙50 m高度层上的风向数据有较为明显的差异，测风塔所获得的风向数据相对于激光测风雷达的数据偏低（图2b）；50 m高度层的风向拟合的R2为0.767 4，表明相关性较为一般（表4）。由嘉定和兴隆沙的风向对比分析结果（表3～4）可见，嘉定的风向相关系数均在0.9以上，相关性较好，而在兴隆沙试验中，激光测风雷达与测风塔的风向相关系数在0.7以上，标准偏差明显好于嘉定对比试验，从一定程度上反映出激光测风雷达在风向的探测中具有较好的准确性。 3：结论与讨论
该研究参与对比试验的测风雷达是以色列Pentalum公司的新型激光测风雷达SpiDARTM，对比对象分别是位于嘉定区的测风塔和位于崇明兴隆沙的风能塔，一个处于城市内部，一个处于城市外围，2次对比试验所处的环境有较大的差别。
在嘉定区的對比试验中，虽然激光测风雷达与风能测风塔2种方式测得的风速值有一些差异，但2组数据在变化和走势上是一致的，说明2组数据有一定的相关性；风向的相关性则明显好于风速，相关系数均在0.9以上。两者风速存在较大差异的原因初步认为是测风塔上风速计长时间未进行校准，以及仪器长时间运行老化所造成的。同时，试验环境周围存在一些高层建筑物，也不能完全排除建筑物对风的遮挡作用，因此存在差异也是一个合理的结果。激光测风雷达30 m风速与10 m风杆的数据对比，也从一定程度上反映激光测风雷达所测的数据与传统手段获得的数据具有良好的相关性。
在兴隆沙的对比试验中，激光测风雷达与风能测风塔所获得的风速数据在各层高度上均具有良好的相关性，相关系数均在0.9以上。相比风速数据，风向数据在各层高度上的相关性较低，普遍在0.8左右，50 m以上风向的相关系数较好。与嘉定区的对比试验相比，兴隆沙的对比试验在风速上的相关性表现较好，而在风向上则表现一般。
2次不同环境下的对比试验，虽然硬件和所处环境不同，但在2次对比试验中对比结果的相关性均有达0.9以上的要素，说明SpiDAR激光测风雷达在低空风场数据获取方面具有一定的可信度。相比传统的手段，激光测风雷达具有安装简易、低能耗、高度自动化、仪器配置更加个性化等优点，同时能够实时获得多种气象探测数据，可见激光测风雷达在气象探测领域具有广阔的使用空间。
参考文献
[1] 吴志根，徐同，丁若样，等.上海组网边界层风廓线雷达与宝山二次雷达测风数据比较分析[J].气象，2013，39（3）：370-376.
[2] 王乔乔，张秀芝，王尚.Windcube激光雷达与测风塔测风结果对比[J].气象科技，2013，41（1）：20-26.
[3] 夏俊荣，王普才，闵敏.新型多普勒测风激光雷达Windcube的风参数观测与验证[J].气候与环境研究，2011，16（6）：733-741.
[4] JAYNES D W. MTC final progress report： LIDAR[R]. Renewable Energy Research Laboratory， Department of Mechanical and Industrial Engineering， University of Massachusetts， 2007.
[5] 冯力天，李伟，韩百刚，等.连续波体制激光多普勒测风雷达测风性能研究[C]//第31届中国气象学会年会S1气象雷达探测技术研究与应用.中国气象学会，2014.